北线日军第110师团、第78旅团与混成第11旅团、骑兵第4旅团已在南阳会师，日军猛攻南阳。接到冈村宁次的紧急命令后，日军留下一部牵制南阳，主力兵分二路，一路向镇平、内乡、浙川方向进攻，掩护侧翼安全，一路配合第115师团向老河口方向进攻。
镇平、内乡、浙川国军安排了新15、新8、第47军防守，北面西峡口、魅门关、重阳店、荆紫关第1战区还部署了第27、68、85、89军4个军，胡宗南第43集团军第1军、第16军、第90军南下临汝、颊县一带。
日军第110军、第78旅团气焰还是很嚣张，镇平国军新15军的阵地还没有攻克，就分兵攻击新8军防守的内乡、李官桥，新8、15军层层阻击，按作战规划，两军抵抗了3天，向北撤退，日军向西峡口、魅门关追击。
第115师、第4骑兵旅团从南阳南面绕过，又从新野、邓县之间穿插，直奔老河口、樊城。日军一部在光化附近与防守老河口的第45军激战，主力开始猛攻樊城、襄阳。意图攻下两城后向南与第39师团一道解救南面被围日军。第38、132师、新22师防守樊城及襄阳，日军猛攻数日，襄樊两城巍然屹立。日军无法南下，被围日军回天乏术。
南线围歼独立混成第17旅团及第231联队日军的作战进行了3天，彻底消灭了这股日军。第41军马上返回了老河口以西，新6军、第8、69军也要北上襄阳。
冈村宁次收到了第17旅团决别电后，命令第115师团停止进攻襄、樊两城。与北面第110师团共同进攻老河口。第110师团收到命令的时候，前锋刚刚推进到魅门关，师团长林芳太郎?觉得有些可惜。可正当第110师团前队变后队，后队变前队准备回撤时，却遭到了大量精锐国军的攻击，第27、68、85军，新8、15军5个军参与了进攻。林芳太郎心惊不已，第110师团且战且退，在付出了4000余名日军生命的代价后，才退到淅川、内乡。冈村宁次命令又到了，取消了第110师团攻击老河口的命令，部队固守淅川、内乡、镇平一线，保证日军侧翼安全。
第115师团、骑兵第4旅团进攻老河口的命令也更改为攻占老河口机场，彻底破坏老河口机场后，向东撤退回到出发地。冈村宁次发现了第1战区第43集团军的动作，他判断第43集团军将进攻叶县、舞阳，象河关等地，切断日军东撤通道。另外新6军、第8、69军北上襄阳的消息也被日军侦知，东面铜柏山、铜山等山区里还有非当数量第5战区国军以及新四军，冈村宁次判断这是一个大阴谋，如果国军得逞，华北派遣军将蒙受重大损失。
冈村宁次决定不去理会大本营不切实际的命令，彻底破坏老河口机场就是给大本营的一个交代。冈村宁次下定决心要撤军了。进攻机场比进攻老河城区的难度小了许多，第115师团、骑兵第4旅团很快就攻占机场东面的马头山制高点，拿下了老河口机场，他们进占机场时只有几架无法修理的飞机，中美航空队已提前转移战机并破坏设施，国军并未将这里作为防守的重点。接下来就是在国军破坏基础上彻底破坏，日军对跑道进行了爆破，还在被炸的沆沆洼洼的机场里埋设了地雷，甚至引来了汉江之水，水淹机场。
第5战区司令长官李宗仁得到了日军破坏机场情报，立即判断出日军识破了国军的谋划，不准备长期占领老河口，准备撤退了。李宗仁立即与胡宗南协调第43集团军对叶县、舞阳发起进攻。他命令新6军、第8、69军加快行军赶到战场，准备追击日军。命令第27、68、85、89军、新8、15军对内乡、镇平发起全面进攻，尽量拖住日军。桐柏山新四军也收到了第5战区要求配合国军截击日军的电报。
第1、5两个战区都动员了起来，第43集团军发起了对叶县、舞阳的进攻，日军拼死阻击。老河口周边日军撤退开始了，李宗仁下达了全面追击和堵截的命令，驻扎洛阳、西安等机场的中美航空队也行动起来了，延安我军轰炸机也升空了。新6军、第8、41、69军急行军正在赶来的路上。整个豫西、鄂北都沸腾了，中、日两军在比拼速度。要不是冈村宁次的反应太快了，下达撤退命令太果决，日军的损失绝对会大幅度上升。
老河口战役中国军队无疑取得了胜利，战果的大小取决于这场追击战，痛打落水狗的机会非常难得。国军士气高昂，连胆大的老百姓都加入了进来，手中挥舞着老套筒、长矛、大刀。
第43集团军攻下了叶县，可惜的是舞阳还没得及攻下，撤退的日军就已经到了。第43集团军开始阻击，降低日军撤退的速度，为后面的追击部队争取时间。新四军第4、10师也参与了拦截，新4军拦截到了一大批沿唐河、铜柏至信阳的鬼子，沿途不断伏击、偷袭，利用地雷、陷阱等方式，扒了日本鬼子一层皮，消灭了日军近2500余人，缴获大批枪支弹药。
追击的国军越来越多，日军逃窜了4天多，建制都有些混乱。李宗仁命令国军顺势切断了平汉线南段，把豫中华北派遣军与武汉第11军的联系彻底隔断，并不断向南、北两个方向压迫，日军北面退到了许昌，南面退到了广水。
战后统计，日军死亡近3万余人，伤亡达到一半。中国派遣军机动兵力几乎损失殆尽，华北、华中、华东日军进入全面收缩状态。现在就是再笨的人这个时候也该明白，日本战败不可能避免，中国抗日战争取得胜利已是板上钉钉之事。
老河口战役结果对于南京伪政府、伪满洲国、伪蒙古国来说，带来的冲击是非常巨大的。大批汉奸为避免战后被清算，纷纷想办法为自己留后路。8月份刚做完手术的汪精卫，躺在日本名古屋帝国大学医院的病床上，他已经连坐都坐不起来了，只能整天躺在床上。当他的妻子陈璧君告诉他老河口战役的结果时，汪精卫陷入了昏迷，他脸色惨白，没有半点血色，双颊、眼窝深陷，和死人没什么两样。